Curs 10 Componenta hardware a sistemelor de calcul necesita existenta unui sistem de operare care sa poata gestiona resursele hardware, concomitent cu asistarea utilizatorului pe timpul pregatirii si lansarii in executie a lucrarilor sale. Sistemul de operare contine programe care coordoneaza si controleaza resursele hardware (memoria, CPU, canalele, dispozitivele periferice) si informatiile (progame, date), asigurand astfel utilizarea eficienta a resurselor. Din acest punct de vedere, functiile unui sistem de operare au fost grupate in 4 categorii: 1. Gestiunea informatiei: Sistemul de fisiere (organizarea, regasirea, utilizarea informatiei); rutine de access; alocare de resurse prin deschiderea fisierului(OPEN); eliberarea de resurse prin inchiderea fisierului (CLOSE). 2. Gestiunea dispozitivelor periferice: operarea dispozitivelor periferice (I/O Traffic Controller); alocarea dispozitivelor periferice intr-un mod eficient (I/O Scheduler); alocarea dispozitivului periferic si initierea operatiei de intrare/iesire; eliberearea dispozitivului periferic la terminarea operatiei de intrare/iesire: 3) Gestiunea procesorului: operarea procesorului (CPU Controller); alocarea procesorului la procese (CPU scheduler). 4) Gestiunea memoriei: alocarea memoriei pentru programele din sistem; multiprogramarea; metode de access si protectie; eliberarea zonelor de memorie alocate. Gestiunea dispozitivelor periferice: Gestiunea dispozitivelor periferice este foarte complexa datorita diversitatii si multitudinii tipurilor de periferice. Exista mii de dispozitive periferice, fiecare avand interfete diferite si viteze de acces diferite. De aceea sistemele de operare dedica o mare parte din cod gestiunii acestor periferice.Unele dispozitive pot fi de tip bloc (e.g., hardisk-ul, CD-urile, DVD-urile) iar altele de tip caracter (e.g., tastatura, mouse-ul). Unele dispozitive au acces secvential (e.g., banda magnetica, tastatura) iar altele au acces aleator (e.g., hardisk-ul, CD-urile). Apoi mai exista problema verificarii daca un dispozitiv periferic este disponibil. De ex. la apasarea unei taste. Sistemul poate verifica la intervale regulate de timp daca s-a apasat vreo tasta, sau apasarea unei taste poate genera un semnal. In acest caz specific, actiunile generate de tastatura sunt rare si imprevizibile deci generarea unui semnal e mai potrivita. Un alt exemplu este primirea pachetelor pe placa de retea. Datorita faptului ca trasmiterea pachetelor in retea e "bursty" (sub forma de ingramadiri), primul pachet dintr-un "burst" genereaza o intrerupere dupa care sistemul verifica la intervale predefinite de timp (polling) daca au mai venit si alte pachete. Nu se poate ca toate pachetele sa genereze cate o intrerupere datorita faptului ca sistemul nu mai apuca sa prelucheze pachetele. De asemenea dispozitivele pot fi foarte rapide (placa de retea) sau foarte incete (tastatura). Si cum se vede in schema, cu cat sunt mai rapide perifericele, cu atat sunt puse mai aproape de procesor. De exemplu memoria se afla pozitionata foarte aproape de procesor. Alte periferice, care sunt mai lente se afla mai departe de procesor (de ex. coltul dreapta jos slide-ul 2). \nUnul dintre scopurile principale ale gestiunii dispozitivelor periferice este acela de a oferii o interfata uniforma de lucru cu toate perifericele oricat de diferite ar fi acestea. De exemplu o cheie USB daca o atasam unui calculator o putem accesa in acelasi mod ca si un alt disc (folosind un sistem de gestiune de fisiere ca de ex: total commander). Sistemele de operare din familia Unix vad toate perifericele ca si fisiere. \nDriver-ele ofera interfete standard pentru toate perifericele. Astfel 3 interfete standard: Periferice de tipBLOC(e.g., unitati de disc, banda magnetica, DVD-ROM)[ trasferul de informatie se realizeaza la nivel de bloc de date; comenzile folosite sunt: open(), read(), write(), seek();pot contine date in forma bruta sau pot fi organizate sub forma de sisteme de fisire]; Periferice de tipCARACTER(e.g., tastatura, mouse-ul, porturile seriale si unele periferice USB)[ unitatea de trasferul de informatie este caracterul; comenzile folosite sunt: get(), put();librarii de functii ofera posibilitatea de a lucra si cu linii de caractere]; Periferice de tipRETEA(e.g., Ethernet, Wireless, Bluetooth)[Unix si Windows includ interfata socketprin care se realizeaza comunicarea efectiva]. \nSubsistemul I/O al nucleului: Tehnica zonelor tampon temporare (buffering, caching) [la comunicarea intre periferice datele sunt stocate in memorie; aceasta tehnica se foloseste pentru a solutiona diferentele de viteze de acces dintre diferite periferice; sau pentru a solutiona diferentele de dimensiune a datelor transferate]; Canalul de I/O [aceasta componenta faciliteaza comunicarea intre procesorul central (CPU) si periferice];Elemente specifice lucrului cu discul [hardiscul fiind o componenta mai complexa si importanta, vom analiza elemente specifice intrarile/iesirilor pentru astfel de dispozitive]. \nTehnica zonelor tampon temporare: Folosita in schimbul de informatii atat intre memoria interna si periferice, cat si intre diverse nivele ale memoriei (schimb intre memoria cache si memoria interna sau intre cea interna si cea secundara). In functie de context se mai numeste: metoda zonelor tampon multiple, cache-ingul paginilor web, pool de pagini recent utilizate, buffering, etc. {Producator, consumator (depinde de context); Obiectul care se produce/consuma: o zona de memorie, un spatiu pe disc, etc.; Buffer-ul: ansamblu a n zone tampon (pool de zone tampon); Trecerea zonelor tampon de la producator la consumator: FIFO}. \nCanalul de I/O: Canalul I/O reprezinta comunicarea intre procesorul central (CPU) si periferice. Exista trei moduri fundamentale de interactiune intre procesor (CPU) si periferice. Asteptare reciproca - sincronizare prin blocare [la cerearea unei date (e.g., apelul sistem read()) procesul este pus in stare de asteptare pana cand informatia este gata; la scrierea unei informatii (e.g., apelul sistem write()) procesul este pus in stare de asteptare pana cand perifericul este pregatit pentru respectiva informatie]; Poolingul efectuat de catre procesorul central - metoda asincrona (adica, trasferul de date se realizeaza printr-un buffer, iar notificarea se realizeaza la umplerea bufferului) [aceasta notificare se produce prin verificari la intervale egale de timp ale procesorului sa determine daca datele sunt disponibile; pro: nu incarca asa de mult sistemul; con: nu e avantajos pentru evenimente rare si imprevizibile pentru ca se fac prea mult verificari (pollings) fara nici un rezultat]; Intrerupere lansata de catre periferic - metoda asincrona (adica, trasferul de date se realizeaza printr-un buffer, iar notificarea se realizeaza la umplerea bufferului) [aceasta notificare se produce prin generarea unui semnal din partea perifericului care atentioneaza CPU-ul ca datele sunt disponibile; pro: in cazul evenimentelor mai rare si imprevizibile; con: o intrerupere incarca sistemul (trebuie salvat tot contextul, tratata intreruperea, iar apoi refacut contextul).]. Canalul de intrare-iesire este un procesor specializat de operatii de I/O care poate functiona in paralel cu procesorul central. [Fiecare periferic contine o zona Tampon proprie, capabila sa pastreze o inregistrare (o linie de imprimanta, un sector de disc, etc).; Procesorul, printr-o rutina de I/O, in cazul scrierii, pune din memorie informatii in aceasta zona tampon, iar in cazul citirii, preia informatii din ea si le pune in memorie.; Dipozitivul periferic, in cazul scrierii, ia informatiile din zona tampon proprie si le pune pe suport, iar in cazul citirii, ia informatiile de pe suport si le pune in zona tampon proprie.; Viteza cu care lucreaza procesorul este mult mai mare decat viteza dispozitivului periferic.]. \nElemente specifice lucrului cu discul: Planificarea accesului la discul magnetic: Elementul de adresare pe un HDD este sectorul. Totusi, trasferul de date la nivel de HDD se face prin blocuri de date. Aceste blocuri reprezinta grupari de sectoare. Accesarea unui bloc de date se poate face indirect. Pentru a accesa un bloc de date, unitatea de disc actioneaza in 3 etape: [Pozitionarea bratului pe cilindrul dorit; Rotirea discului pana cand sectorul trece prin fata capului de citire/scriere; Schimbul propriu-zis de informatie]. Planificarea accesului la discul magnetic. Metode de optimizare: optimizarea in selectarea sectoarelor: [Reducerea accesului la sectoarele vecine; Reducerea asteptarii rotatiei], optimizarea pozitionarii bratului cu capetele de citire/scriere:[Reducerea timpului de pozitionare]. Exista asadar mai multi timpi in care se face accesul la HDD, si anume: [timpul de cautare a piste/cilindrului (8-12 ms); timpul de rotire pana cand capetele de citire se afla deasupra sectorului dorit (8-16 ms per rotire - in medie e nevoie de o jumatate de rotire ca sa ajung la sectorul cautat); timpul de transfer efectiv al datelor citite/scrise (2-15 MB/s )]. \nReducerea accesului la sectoarele vecine: In cazul in care cererile nostre se refera la sectoare vecine, datorita timpului de transfer, capul de citire trece peste inceputul sectorului vecin. De aceea, s-a propus ca sectoarele "vecine" sa se numeroteze cu intretesere. Astfel, spre deosebire de primul caz in care se pot accesa toate cele 8 sectoare doar prin o rotiri de disc, cu intretesere se citesc toate sectoarele doar din 2 parcurgeri. Pentru cazurile in care timpul de trasfer este mai mare decat timpul de trecere peste un sector, s-a propus intreteserea cu factor 2. In cazul acesta discul se roteste de 3 ori pentru citirea tuturor sectoarelor. \nReducerea asteptarii rotatiei: In cazul in care se cere o secventa de sectoare, aceasta secventa se va optimiza astfel incat citirea lor sa se realizeze cu cat mai putine rotiri. Functioneaza dupa regula "cel ce asteapta cel mai putin va fi servit primul". In cazul de fata, cele tre cereri vor fi servite dintr-o singura rotire a discului. \nReducerea timpului de pozitionare: [FCFS - desi usor de implementat, e cel mai putin optim algoritm din punct vedere al timpilor de servire; SSTF - poate amana indefinit unele cereri; SCAN - unele cereri pot astepta parcurgerea de 2 ori a tuturor cilindrilor; cilindrii din mijloc sunt mai bine deserviti; C-SCAN - e un algorim des folosit de catre sistemele de operare Unix]. Curs 11 Gesionarea proceselor: Facilitatea de a rula mai multe programe simultan in cadrul unui sistem de operare este considerata astazi normala de catre toti utilizatorii. Rularea unui navigator web simultan cu rularea unui program pentru citirea postei este o practica de zi cu zi a majoritatii utilizatorilor. Din punct de vedere a sistemului de operare toate aceste programe sunt considerate procese. Program [o secventa de instructiuni care descrie operatiile ce vor fi efectuate in timpul unei executii; caracter static: nu se modifica de la executie la alta]. Proces [set de activitati din program care se executa secvential; caracter dinamic: modul de desfasurare al prelucrarilor poate sa difere de la o executie la alta, in functie de contextul de lucru]. In arhitecturile monoprocesor, mai multe procese care ruleaza concomitent sunt de fapt deservite alternativ de catre procesor. Procesorul executa alternativ grupuri de instructiuni din fiecare program de-a lungul unei cuante de timp. Dimensiunea unei astfel de quante de timp este astfel aleasa incat momentele de stationare ale unui program nu sunt sesizabile de catre utilizator.Paralelismul este efectiv doar in cadrul sistemelor multiprocesor. Concurenta intre procese: Intr-un sistem pot coexista la un moment dat mai multe procese care solicita accesul concurent la resursele sistemului (memoria, discul magnetic, terminalul, interfata de retea, etc). Sectiune critica; resursa critica; excludere mutuala: O problema legata de accesul la resurse este asigurarea corectitudinii operatiilor executate in regim de concurenta.; Pentru a vedea cum operatii corecte pot da rezultate gresite in caz de concurenta vom da un exemplu clasic. Se considera un fisier care stocheaza numarul de locuri libere intr-un sistem de vanzare de bilete. Vanzarea unui bilet va avea ca si consecinta decrementarea numarului de locuri libere. Codul care face acest lucru este: Ambele procese citesc aceeasi valoare din program, o decrementeaza si apoi o scriu la loc. In final, in loc ca numarul de locuri sa scada cu doua pozitii, va scadea doar cu una si ca urmare operariile executate aspra fisierului sunt gresite. Eroarea apare din lipsa de sincronizare intre accesele proceselor la fisier. Pentru a obtine rezultate corecte, secventa de executie dorita este: Portiunea de program incepand cu read si terminand cu write este o sectiune critica (deoarece NU este permis ca ea sa fie executata de mai multe procese simultan; adica sectiunea critica este neinteruptibila), iar pozitia pe care se stocheaza numarul de locuri in fisier este o resursa critica (deoarece nu poate fi accesata simultan de mai multe procese). Pentru a evita situatia eronata prezentata anterior, vom spune ca procesele A si B trebuie sa se excluda reciproc, deoarece trebuie sa aiba access exclusiv la sectiunea si la resursa critica. Sincronizarea executie proceselor: Conceptul de semafor: Dijkstra a introdus, pe la sarsitul anilor '60, conceptul de semafor ca si solutie la problema sectiunii critice (ca un fel de blocare generalizata). Un semafor este o pereche
(v(s), c(s)) , unde v(s) este valoare semaforului, iar c(s) o coada de asteptare. Valoarea v(s) este un numar intreg, iar c(s) contine pointeri la procesele care asteapta la semaforul s. Disciplina cozii depinde de sistemul de operare (FIFO, LIFO, prioritati, etc). Pentru gestiunea semafoarelor se definesc doua operatii indivizibile P(s) si V(s) ale caror roluri sunt "a trece de resursa", respectiv "a anunta eliberarea resursei" (Literele - primele din denumirea in olandeza a operatiilor). In alte resurse operatie P se numeste WAIT, iar operatie V se numeste SIGNAL. Folosirea semaforului in vederea solutionarii sectiunii critice se face sub forma: valoare initiala a semaforului se seteaza la 1: v0(s)=1, iar toate procesele care folosesc sectiune critica sunt de forma: ...; P(s); < sectuinea critica >; V(s); ... Se poate demonstra ca v(s)